Высшая и низшая теплота сгорания

Теплота сгорания, или теплотворная способность (теплотворность), топлива Q – это количество тепла, выделяющееся при полном сгорании 1 моля (кДж/моль), 1 кг (кДж/кг) или 1 м³ топлива (кДж/м³).

Значения объемной теплоты сгорания применяют обычно при расчетах, связанных с использованием газообразного топлива. При этом различают теплоту сгорания 1 м³ газа при нормальных условиях (кДж/м³), т.е. при температуре газа 0ºС и давлении 1 ата, и при стандартных условиях – при температуре 20ºС и давлении 760 мм.рт.ст.

.                                                     (5.1)

При анализе топлива и в теплотехнических расчетах приходится иметь дело с высшей и низшей теплотой сгорания. Высшая теплота сгорания топлива  представляет собой количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы топлива с образованием CO₂, H₂O в жидком состоянии и SO₂ . К высшей теплоте сгорания близка теплота сгорания, определяемая путем сжигания топлива в калориметрической бомбе в атмосфере кислорода . Незначительное отличие теплоты сгорания в бомбе  от высшей теплоты сгорания  обусловлено тем, что при сжигании с использованием кислорода происходит более глубокое окисление топлива, чем при его сгорании в атмосферном воздухе. Так, например, сера топлива сгорает в калориметрической бомбе не до SO₂ , а до SO₃, кроме того при сжигании топлива в бомбе происходит образование серной и азотной кислот.

Низшая теплота сгорания топлива  представляет собой количество тепла, выделяющееся при полном сгорании единицы топлива с образованием CO₂, H₂O в парообразном состоянии и SO₂. Кроме того, при подсчете низшей теплоты сгорания учитывается расход тепла на испарение влаги топлива. Следовательно, низшая теплота сгорания отличается от высшей расходом тепла на испарение влаги, содержащейся в топливе и образующейся при сгорании топлива ().

При подсчете разницы между высшей и низшей теплотой сгорания учитывается расход тепла на конденсацию пара и на охлаждение образующегося конденсата до 0ºС. Эта разница составляет около 2,51 МДж на

1 кг влаги, т.е. 25 кДж на каждый процент влаги, содержащейся в топливе или образующийся при сгорании водорода, входящего в состав горючего.

У топлива с малым содержанием водорода и влаги различие между высшей и низшей теплотой сгорания невелико, например, у антрацита и кокса – всего лишь около 2%. Однако у топлив с высоким содержанием водорода и влаги это различие становится весьма существенным. Так, у природного газа, состоящего в основном из CH₄ и содержащего 25% водорода по массе, высшая теплота сгорания превышает низшую на 11%.

Высшая теплота сгорания горючей массы дров, торфа и бурых углей, содержащей около 6% водорода, превышает низшую теплоту сгорания на 4-5%. Гораздо больше различие между высшей и низшей теплотой сгорания рабочей массы этих весьма влажных топлив, оно составляет ~20%.

При оценке эффективности использования указанных видов топлива существенное значение имеет вопрос о том, какая теплота сгорания принята в расчетах – высшая или низшая. В бывшем СССР и большинстве зарубежных стран теплотехнические расчеты выполняют обычно на основе низшей теплоты сгорания. В Великобритании и США аналогичные расчеты выполняются обычно на основе высшей теплоты сгорания. Поэтому при сопоставлении данных испытаний котлов и печей, выполненных на основе низшей и высшей теплоты сгорания, необходимо производить соответствующий пересчет  и  по формуле

, кДж/кг.

Теплота сгорания топлива определяется составом горючей массы и содержанием балласта в рабочей массе топлива. Теплота сгорания горючих элементов топлива существенно различна (для водорода примерно в 4 раза больше, чем для углерода, и в 10 раз больше, чем для серы). Теплота сгорания 1 кг бензина, керосина, мазута, т.е. жидкого топлива с высоким содержанием водорода, значительно превышает теплоту горючей массы кокса, антрацита и других видов твердого топлива с высоким содержанием углерода и весьма малым содержанием водорода. Теплота сгорания горючей массы топлива обусловливается ее элементарным составом и химическим составом входящих в нее соединений.

Существенное влияние на теплоту сгорания топлива оказывает также характер связей между атомами углерода в молекуле.